construccic3b3n-de-un-aerogenerador-de-flujo-axial-para-secundaria.pdf

Construcción de un aerogenerador de flujo axial

para Secundaria

Modelo GRAM I

Jose Gramage Cirujeda Dpto. Tecnología

Colegio Pureza de María Ontinyent Año - 2012

Jose Gramage Cirujeda

Índice

Contenido

Índice ............................................................................................................................................. 1

Objetivo ......................................................................................................................................... 2

Justificación ................................................................................................................................... 2

Descripción general ....................................................................................................................... 3

Construcción del alternador .......................................................................................................... 4

Fabricación del plato de imanes ............................................................................................... 4

Fabricación del plato de bobinas .............................................................................................. 5

Construcción de las bobinas ...................................................................................................... 6

Construcción del plato de bobinas completo ........................................................................... 7

Conexionado de las bobinas .................................................................................................. 8

Montaje del alternador. .......................................................................................................... 10

Construcción de las aspas y la góndola ....................................................................................... 11

Las aspas. ................................................................................................................................. 11

El núcleo de las aspas. ............................................................................................................. 12

Soportes del eje. ...................................................................................................................... 13

La góndola ............................................................................................................................... 14

Mástil ....................................................................................................................................... 15

La veleta .................................................................................................................................. 15

Acople de todo el sistema ........................................................................................................... 16

Resultados obtenidos .................................................................................................................. 16

Video de funcionamiento en: ...................................................................................................... 17

Memoria de materiales ............................................................................................................... 17

Herramientas ............................................................................................................................... 17

Mejoras en el modelo ................................................................................................................. 18

Bibliografía .................................................................................................................................. 18


Objetivo El objeto principal del presente proyecto en iniciar a los alumnos en el mundo de las energías

alternativas.

Al mismo tiempo y con una buena planificación se puede trabajar esta unidad con una

metodología dinámica y multidisciplinar. Dentro de esta unidad se pueden integrar materias

tan diversas como tecnología, físicas, matemáticas, plástica, inglés o incluso lengua castellana.

Para llevar a cabo el proyecto los alumnos debe investigar, diseñar, calcular y explicar un

amplio abanico de conceptos tales como el electromagnetismo, la generación de electricidad,

realizar cálculos matemáticos aplicados y muchos conceptos más dentro de multitud de

materias.

El trabajo se ha diseñado implicando a las siguientes áreas y trabajando los diversos objetivos

curriculares:

⇒ Física Cargas eléctricas, electromagnetismo y generación de electricidad

⇒ Tecnología Obtención de energía eléctrica, los metales, mecanismo, electricidad

y electrónica.

⇒ Matemáticas Resolución de ecuaciones y sistemas.

⇒ Legua castellana o cooficial Elaboración y redacción de las pertinentes

memorias.

⇒ Ciencias Sociales El clima y las condiciones climatológicas en España.

⇒ Además de la educación en valores que implican el trabajo en equipo como la

compañerismo, creatividad, tolerancia, afectividad, habilidades sociales, etc.

Justificación

En un mundo global como el actual donde la generación de energía eléctrica se vuelve

indispensable para llevar a cabo una vida dentro de unos límites aceptables, el entender cómo

se genera la energía eléctrica y los métodos actuales de generación es vital para formar

personas responsable y con valores.

Se ha escogido la energía eólica por una de

las energías alternativas más utilizadas en la

actualidad.

Por tanto se pretende construir un

aerogenerador capaza de generar energía

eléctrica a partir del viento.


Descripción general

Antes de la construcción del aerogenerador propiamente dicho se han explicado parte de los

conceptos teóricos necesarios como base para la comprensión del proyecto, por ejemplo las

cargas eléctricas y la ley de Coulomb entre otros. Los alumnos han investigado todo lo

relacionado con las energías y sobre todo con las renovables y más concretamente con las

eólicas.

Dentro del proyecto tecnológico el aerogenerador se ha construido siguiendo una metodología

de trabajo dinámica y trabajando en la competencia “aprender a aprender” ya que los alumnos

en muchos casos llegan a ser autodidactas.

Para la construcción del aerogenerador cada una de las partes se ha construido de forma

independiente y después se han unido, podemos diferenciar dos grandes conjuntos uno sería

la parte del alternador que es la parte que va a generar la corriente eléctrica y el otro gran

conjunto es toda la parte mecánica donde se sitúan las hélices la torre y la góndola.

Para la construcción de GRAM I se han usado materiales fáciles de encontrar, al final de la

memoria se describe una serie de mejoras pero con materiales más difíciles de encontrar, que

pueden aumentar el rendimiento del aerogenerador de forma notable.

Los trabajos a llevar a cabo para la construcción del aerogenerador son sencillos y fáciles, el

proyecto se ha pensado para alumnos de 3º de ESO, ya que no existen trabajos de gran

dificultad.


Construcción del alternador Se describe a continuación la construcción de un alternador de flujo axial.

Para la construcción del alternador se necesitan 4 Cds donde se sustentarán todos los

componentes. Identificamos dos partes básicas el plato de bobinas y los platos de imanes.

Fabricación del plato de imanes El primer paso será dividir 3 de los 4 cd’s en 8 partes iguales mediante escuadra y cartabón

formando 8 quesos iguales, esta tarea se realiza de forma rápida y sencilla. Se marcarán unos

puntos a 30 mm del perímetro exterior sobre cada una de las líneas que delimitan las partes de

los cd’s.

También se puede usar una plantilla tal como esta y marcar los centros donde se pegarán los

imames y las bobinas.

Estos puntos serán los centros donde pegaremos los imanes y donde situaremos las bobinas.

Los imanes son elementos de compra para este proyecto se han usado imanes con unas

dimensiones de Ø20x5 mm aunque se pueden usar imanes más grandes. Fijaremos con termo

adhesivo los imanes en cada uno de los platos. El centro del imán se situará sobre la marca

realizada previamente. Hay que tener en cuenta la polaridad de los imanes a la hora de

pegarlos ya que se deben situar con polaridades alternas N-S-N-S-N-S-N-S, tal como indica el

dibujo adjunto.

Para ahorrar costes se puede fabricar el aerogenerador del mismo modo pero montando

únicamente un plato de imanes.

Dimensiones no reales.


Fabricación del plato de bobinas

El primer paso para la fabricación del plato de bobinas consiste en mecanizar los discos

soporte (cds), para ello se debe practicar un agujero central de Ø 22mm en dos de los cd´s. Se

debe proceder de la siguiente forma:

Se sujetara el CD fuertemente mediante un gato o sargento a un pedazo de madera,

trazaremos con lápiz el centro del agujero del CD, con una broca de madera de Ø 22

realizaremos un agujero sobre la madera de manera que el centro del CD quedará repasado a

Ø22. Para realizar esta tarea hay que sujetar el CD fuertemente y proceder con sumo cuidado.

Una vez tengamos el agujero de 22mm procederemos a pegar el rodamiento que nos servirá

para hacer girar el plato de bobinas de forma perfecta.

Para pegar el rodamiento usaremos cola termo adhesiva y pegaremos el rodamiento por todo

su perímetro exterior sobre el plato mecanizado.

El rodamiento los podemos encontrar en cualquier tienda donde se vendan monopatines ya

que se han usado rodamientos de monopatín. Sus dimensiones son Ø ext 22 Ø int 8 y ancho

7mm, perteneciente a un 608ZZ que podemos encontrar en cualquier suministro industrial.

Ver imágenes adjuntas.


Construcción de las bobinas Para la construcción de las bobinas se puede construir una pequeña bobinadora o se pueden

realizar las bobinas a mano, es mucho más sencillo construir la bobinadora, ya que es fácil y

ahorrará mucho trabajo.

Para la realización de las bobinas se usara hilo de cobre esmaltado de Ø 0,3 mm.

Lo primero que se debe hacer es fabricar los carretes para las bobinas ya que no se han

encontrado carretes con las dimensiones requeridas.

Para el núcleo de los carretes se utilizará tubo de plástico o metacrilato de Ø exterior 20 x 12

mm de largo (este tubo es fácil de encontrar en cualquier ferretería, ya que se usa para

desagüe de aires acondicionados).

Para la parte exterior de los carretes cortaremos círculos de cartulina de Ø 30mm, se pegaran

dos círculos de cartulina sobre cada uno de los extremos del tubo. Una vez montados los

carretes se procederá a realizar el bobinado sobre los carretes.


Para el bobinado introduciremos un tornillo largo de M-10 o M-12 y dos chapetones (arandelas

más grandes) sujetando el carrete para que el bobinado sea más fácil de realizar. Pegaremos el

principio del hilo de cobre sobre el interior de tubo y empezamos con la bobina.

Iremos bobinando de izquierda a derecha de la forma más ordenada posible. Después

pegaremos el extremo del hilo sobre la parte contraria a la que empezamos a bobinar. El hilo

se puede pegar con cola térmica.

Ahora nos queda retirar el tornillo de forma cuidadosa evitando que la bobina se desmonte.

Para el mejor rendimiento del generador cada una de las bobinas debería tener al menos entre

150 y 160 espiras, el número de espiras puede variar, no hace falta que sea exacto aunque si

aproximado.

Tanto al final como al principio del bobinado se deberían dejar unos 100 mm de hilo para

realizar las conexiones cómodamente.

Construcción del plato de bobinas completo El plato base de las bobinas debe tener marcadas las circunferencias donde se deben situar las

bobinas o utilizar una plantilla tal y como se puede observar en la imagen adjunta.


Plantilla para el pegado de las bobinas.

Antes de colocar la tapa del plato de bobinas se debe proceder al conexionado de las bobinas

de la siguiente forma:

Conexionado de las bobinas

Las bobinas se deban conectar en serie, teniendo en cuenta que cuando la primera este en

“positivo” la segunda estará en “negativo” por efecto de los campos magnéticos. Es por ello

que hay que conectar la parte exterior de la primera bobina con la parte exterior de la

segunda, la parte interior de la segunda con la interior de la tercera y así de forma

sucesivamente. El cable del núcleo de la bobina con el núcleo de la siguiente, y el exterior con

el exterior, de forma y manera que al final solo deben quedar dos extremos, un cable de uno

de los núcleo y uno de un exterior.

Antes de soldar los cables hay que retirar la capa de esmalte para realizar las conexiones, para

retirar el esmalte se puede lijar el cable con un papel de lija muy fino de lo contrario la

conexión podría fallar.

Dimensiones no reales.


Finalmente se colocara la tapa del plato de bobinas. Entre los dos rodamientos (entre la base y

la tapa) existe un hueco que se debe rellenar colocando dos o tres arandelas de M-8 en medio

de los rodamientos. El centro de los rodamientos debe quedar compacto sin huecos.

Antes de colocar la tapa con cola, realizar la comprobaciones oportunas.

Se procederá a colocar abundante cola térmica sobre cada una de las bobinas e

inmediatamente después colocaremos la tapa sobre la base con las bobinas. No olvida colocar

las arandelas entre los rodamientos.

Realizar esta operación muy rápida o con varias personas y varias pistolas de cola térmica, ya

que si la cola se enfría la tapa del pato no quedará bien fijada.

Al plato de bobinas se le debe pegar una madera interior que no servirá de antigiro, para evitar

que el plato de bobinas gire y los rodamientos hagan su función. Yo he colocado tres y al

mismo tiempo me sirven de patas aunque no es necesario con una única madera es más que

suficiente ya que la única función que tiene es que el plato de bobinas no gire.


Montaje del alternador. En la siguiente secuencia de imágenes se puede ver cómo se ha montado todo el conjunto del

alternador. Previamente se han tenido que mecanizar los soportes que sustentarán el eje

donde se monta todo el sistema (hélices, y generador). La descripción de la fabricación de los

soportes se explica en el siguiente punto. El eje que sustentará todo el sistema es una varilla

roscada de M-8 y 300 mm de largo.

Colocar tuerca M-8 Autoblocante y chapetón

M-8, primer plato de imanes, chapetón y

tuerca normal.

Ahora colocaremos una arandela, el plato de

bobinas, arandela y tuerca. Las arandelas

solo deben presionar la pista interior del

rodamiento.

Chapetón, plato de imanes, chapetón y tuerca autoblocante.

Ya tenemos el alternador lista para probar.

La colocación de tuercas autoblocantes al principio y al final implica que el alternador no se

moverá sobre el eje ya que este tipo de tuercas no se aflojan y así garantizamos que el

alternador sea un bloque perfecto.

La varilla debe sobresalir unos 50 mm por la parte trasera del generador el resto debe quedar

a la parte donde se montarán las aspas.


Construcción de las aspas y la góndola

El conjunto está formado por un grupo de tres aspas ya que pretende imitar a los grandes

aerogeneradores y por las características del viento de la zona es la más adecuada.

Las aspas.

De nuevo el diseño de las aspas está basado en sistemas industriales pero sin perfiles variables

ni volúmenes, se ha respetado el ángulo de ataque de 18º ya que según toda la bibliografía

consultada aprovecha mejor la fuerza del viento. Se ha elegido este tipo de aspa por ser de

fácil construcción respecto a otros consultados en diferentes fuentes.

Para la construcción de las aspas he usado tablero de madera contrachapado de 6 mm.

Adjunto plano de las aspas:


El núcleo de las aspas.

Para el núcleo de las aspas usaremos una madera de 100x20 mm la misma que usaremos para

la góndola. Para mecanizar esta pieza usaremos una sierra de marquetería. Primero se ha de

cortar la geometría exterior y posteriormente las ranuras. Para las ranuras se deben realizar

dos cortes 30 mm de profundidad y después desde bajo empalmar los dos cortes(formando

una U), quedando de este modo la ranura de 6 mm. Para refinar la ranura usaremos una lima

plana pequeña.

Los agujeros no deben hacerse hasta no tener las aspas montadas en el interior de las ranuras,

ya que debemos taladrar el núcleo y las aspas al mismo tiempo, esto nos facilitará del montaje

de todo el conjunto, si no procedemos de este modo los agujeros de las aspas no encajarán

bien ya que los agujeros de las aspas son inclinados muy difíciles de hacer.

Fijaremos las aspas al núcleo mediante cola termoadhesiva e introduciremos unos tornillos

hexagonales de M-6 con arandelas fijando todo el conjunto.

Ver fotografías adjuntas para

una mejor comprensión del

conjunto.


Soportes del eje. El eje se debe sustentar sobre un par de soportes con rodamientos para facilitar que el

conjunto alternador y aspas pueda girar libremente.

Para este primer prototipo se ha usado madera de 40x10 aunque también se puede usar la

misma madera de 100x20 dela góndola haciendo los rebajes correspondientes.

A la madera se le debe practicar un rebaje en la zona donde se fijarán los rodamientos. Este

rebaje será de 3 mm, quedando la zona donde se fijan los rodamientos de 7 mm, el mismo

espesor que tienen los rodamientos.

Para fijar los rodamientos a la madera se ha realizado un agujero a 80 mm de la base de Ø

22mm. La pista exterior de los rodamientos se ha pegado sobre la madera usando cola termo

adhesiva. Para evitar que los rodamientos se salgan se han practicado dos agujeros de Ø 4 mm

a dos milímetros del agujero de 22 donde se ha puesto un tornillo de M-4x15 con arandelas.

Finalmente para fijar los soportes a la base de la góndola se han atornillado 4 escuadras

pequeñas de latón sobre cada uno de los soportes tal y como podemos observar en las

fotografías adjuntas.

Para realizar el rebaje a la madera se ha usado una lima gruesa para madera y después una

fina para que no queden astillas.

Para la fijación de los soportes a la base de la góndola se puede usar cualquier tipo de

escuadra que se crea oportuna.


La góndola La góndola se sustenta sobre una madera de 100x20 mm de 800 mm de largo.

Los soportes se colocarán de forma y manera que uno de ellos quede aproximadamente a

unos 15 mm del extremo de la madera que actuará de góndola.

Hay que tener en cuenta tanto en el montaje de los soportes como del alternador que todos

los rodamientos deben tener arandelas previas a las tuercas. Estas arandelas permiten que

únicamente tenga contacto la pista interior del rodamiento y así este pueda girar libremente.

De lo contrario la tuerca rozará sobre el protector del rodamiento y no realizará su función

adecuadamente.

El montaje del conjunto se puede observar en las imágenes adjuntas.

Posteriormente se le practicará un agujero de Ø 16 mm donde se colocara el tornillo que

permitirá el giro de la góndola. El agujero hay que hacerlo en el lugar exacto donde la góndola

esté perfectamente equilibrada (más o menos 200 mm) del extremo. Comprobar una vez

montado el alternador.


Mástil Para el mástil he usado un tubo de 1 ¼” (tubo de instalación de agua) y dentro he colocado una

rueda guía de puerta corrediza de 35 mm de exterior con tornillo de M-16 (se vende en

cualquier suministro industrial.

Soldando unas tuercas y colocando tornillos prisioneros sobre el mástil, a rueda queda fijada

dentro del tubo.

Una vez montado el conjunto podemos fijar la góndola sobre el mástil y el sistema estará

preparado para oscilar en función de la dirección del viento.

La veleta De uno de los sobrantes de las aspas he aprovechado la madera para hacer la veleta.

La veleta sirve para orientar la góndola en la dirección del viento, es importante determinar un

tamaño adecuado para que el viento estabilice la góndola, de lo contrario el sistema vibrará.


Acople de todo el sistema Para el montaje de sistema existen tres partes de fácil ensamblaje:

• Las aspas

• La góndola con la veleta y los soportes

• El mástil

Lo primero que se debe ensamblar es el módulo de las aspas en el eje del alternador.

Previamente debemos roscar una tuerca autoblocante en el eje, después una arandela, esto

será la parte donde el módulo de las aspas se apoyará. Hay que tener en cuenta que no hay

que roscar la tuerca hasta el tope del eje, ya que sino las aspas tropezarán con la góndola.

Se debe medir para que las aspas pasen a uno 5 mm de la góndola, una vez introducido el

módulo de las aspas poner otra arandela y volver a roscar una tuerca autoblocante. Es

importante montar las aspas con tuercas autoblocantes porque si no podría aflojarse.

¡OJO! no intentar para las aspas con las mano una vez el aerogenerador se ponga en marcha

no si se intentarse detener con las manos el golpe sufrido puede causar una grave lesión. Para

parar la rotación de las aspas hay que desorientar las aspas respecto de la dirección del viento.

Resultados obtenidos Se cuantifican los resultados obtenidos en voltaje y niveles de potencia obtenidos. El voltaje

obtenido depende directamente de la velocidad de rotación llegando a unos 12 V a unas 850

rpm. Los resultados obtenidos se pueden visualizar en la siguiente gráfica.

En cuanto a la potencia teniendo en cuenta la ley de Ohm y el valor constante de la resistencia

de las bobinas podemos obtener un valor máximo de:

El valor de la resistencia es de 17Ω teniendo en cuenta que despejando

tenemos que

=>

8,5

0

2

4

6

8

10

12

14

50 150 250 350 450 550 650 750 850

Te

nsi

ón

Velocidad en rpm

Tensión generada


Video de funcionamiento en: En el siguiente enlace se puede encontrar un video del proceso de construcción así como del

aerogenerador expuesto al viento y generando corriente eléctrica.

http://www.youtube.com/watch?v=3X1FJg3dA_k

Memoria de materiales - 4 CD’s viejos o nuevos.

- 16 imanes de neodimio de 20x5 mm.

- 2 Rodamientos de monopatín (22x8x7).

- Tubo de plástico o metacrilato de Ø exterior 20 mm.

- Hilo de cobre esmaltado de Ø 0,3 mm.

- Varilla roscada de M-8.

- Varias tuercas, arandelas y tuercas autoblocantes de M-8.

- 12 Escuadras de latón pequeñas y tornillería.

- 8 tornillo de M-4x20, con arandelas y tuercas.

- Maderas:

- Madera de 100x20 (núcleo de las aspas y base de la góndola).

- Madera de 40x10 para los soportes de los ejes.

- Tablero contrachapado de 6 mm para las aspas.

Herramientas - Cuttex. - Pistola de cola termo adhesiva. - Sierra de calar. - Serrucho. - Juego de llaves fijas. - Gatos pequeños. - Broca para madera Ø 22 mm y broca de metal de Ø 6 mm. - Útiles de dibujo.


Mejoras en el modelo - Aumentar el taño de los rodamientos. Si se colocase un rodamiento de 6201

(12x32x10) daríamos mayor robustez al sistema.

- Los platos de sujeción de los imanes deberían ser de acero, ya que esto podría llegar a

aumentar el campo magnético hasta en un 20 %

- Imanes y bobinas más grandes.

- Contrachapado de las aspas de 8 mm

Bibliografía http://www.uv.es/~navasqui/

http://www.otherpower.com/otherpower_wind.html

http://www.uclm.es/PROFESORADO/ajbarbero/FAA/EEOLICA_Febrero2012_G9.pdf

http://www.fieldlines.com/index.php/topic,141270.0.html

http://bricoenergia.7forum.biz/t103p30-que-relacion-de-tamano-debe-haber-entre-bobinas-e-imanes

http://www.comohacer.eu/especial-como-hacer-un-aerogenerador-molino-de-viento-o-turbina-eolica/

Documents

construccic3b3n-de-un-aerogenerador-de-flujo-axial-para-secundaria.pdf